[PPT模板]吴彩燕第05讲GIS与空间分析

第四章第四章 GIS空间分析的一般方法空间分析的一般方法授课人授课人:吴彩燕吴彩燕20082008年年10 10月月10 10日日第第05讲讲4.4 数字高程模型分析数字高程模型分析 数字高程模型概述数字高程模型概述；DEM数据的采集方法数据的采集方法；DEM的主要表达形式的主要表达形式；DEM的主要应用的主要应用；ArcGIS中如何生成中如何生成DEM。早期，对地表形态的描述主要采用早期，对地表形态的描述主要采用象形象形绘图方法绘图方法；17 17世纪后，主要用世纪后，主要用写景方式写景方式进行描述，进行描述，如透视写景图；如透视写景图；18 18世纪，随着测绘技术的发展，对地形世纪，随着测绘技术的发展，对地形的表达由的表达由写景式的定性表达写景式的定性表达逐步过渡到逐步过渡到以等高线为主的定量表达以等高线为主的定量表达；1 1、发展历程、发展历程1919世纪，随着平版印刷技术的发展，世纪，随着平版印刷技术的发展，地貌地貌晕渲晕渲开始被广泛地应用于地形表达之中；开始被广泛地应用于地形表达之中；20 20世纪初期，随着航空技术的发展，世纪初期，随着航空技术的发展，摄摄影测量影测量成为了进行地形图编绘的重要技术成为了进行地形图编绘的重要技术之一；之一；2020世纪中后期，随着空间技术、通信技术世纪中后期，随着空间技术、通信技术的发展，的发展，遥感技术遥感技术得到了快速的发展和广得到了快速的发展和广泛的应用，使得地面影像信息更为丰富；泛的应用，使得地面影像信息更为丰富；2020世纪世纪4040年代，随着计算机技术的飞速发展年代，随着计算机技术的飞速发展和在制图、测绘领域中的应用，各种和在制图、测绘领域中的应用，各种数字地数字地形形的表达方式得以产生；的表达方式得以产生；19571957年，年，RobertsRoberts首次提出将计算机技术应首次提出将计算机技术应用到摄影测量中；用到摄影测量中；19581958年，美国麻省理工学年，美国麻省理工学院摄影测量实验室主任院摄影测量实验室主任MillerMiller成功地在计算成功地在计算机中解决了地形表达的问题，并首次提出机中解决了地形表达的问题，并首次提出DTMDTM，数字地面模型数字地面模型的概念。至此，地形表的概念。至此，地形表达从达从模拟时代模拟时代走向走向数字表达时代数字表达时代。传统的高程模型是传统的高程模型是等高线等高线，其数学意义是定，其数学意义是定义在二维地理空间上的连续曲面函数；义在二维地理空间上的连续曲面函数；当高程模型在用当高程模型在用计算机表达计算机表达的时候，即可称的时候，即可称为数字高程模型；为数字高程模型；计算机中表达高程模型需要考虑的三个因素：计算机中表达高程模型需要考虑的三个因素：一是一是计算机容量计算机容量；二是计算机只认识；二是计算机只认识数字数字，必须将图形数据和文字数据转化为必须将图形数据和文字数据转化为数字数据数字数据；三是三是模型化表达模型化表达，即用数字表达的有限的地，即用数字表达的有限的地形高程数据在计算机中按一定规则进行组织；形高程数据在计算机中按一定规则进行组织；2 2、数字高程模型的定义和理解、数字高程模型的定义和理解 DTMDTM（Digital Terrain Model Digital Terrain Model）：数字地面模型数字地面模型，是对地表各种形态的属性信息的数字描述。其中的是对地表各种形态的属性信息的数字描述。其中的地地面特性面特性可以是高程值，即可以是高程值，即DEMDEM，同时还可以是土地利，同时还可以是土地利用类型、植被覆盖度和人口密度等；用类型、植被覆盖度和人口密度等；DEM(Digital Elevation Model)DEM(Digital Elevation Model)（狭义）（狭义）：是对：是对地球表面高程的数字化表达，它既记录了地球表面地地球表面高程的数字化表达，它既记录了地球表面地理对象的平面坐标，还记录了其高程值；它表示地表理对象的平面坐标，还记录了其高程值；它表示地表区域上地形的区域上地形的三维向量三维向量的的有限有限序列，即地表单元上序列，即地表单元上高高程的集合程的集合，数学表达为：，数学表达为：z=f(xz=f(x，y)y)。广义广义DEMDEM：是对地理空间中地理对象表面高程的数字：是对地理空间中地理对象表面高程的数字化表达，如海底化表达，如海底DEMDEM、下伏岩层、下伏岩层DEMDEM和大气等压面和大气等压面DEMDEM。建立建立DEMDEM的目的的目的 1 1）作为国家地理信息的基础数据；）作为国家地理信息的基础数据；2 2）土木工程、景观建筑与矿山工程规划与设计；）土木工程、景观建筑与矿山工程规划与设计；3 3）为军事目的而进行的三维显示；）为军事目的而进行的三维显示；4 4）景观设计与城市规划；）景观设计与城市规划；5 5）流水线分析、可视性分析；）流水线分析、可视性分析；6 6）交通路线的规划与大坝选址；）交通路线的规划与大坝选址；7 7）不同地表的统计分析与比较；）不同地表的统计分析与比较；8 8）生成坡度图、坡向图、剖面图、辅助地貌分析、估计侵蚀和径）生成坡度图、坡向图、剖面图、辅助地貌分析、估计侵蚀和径流等；流等；9 9）作为背景叠加各种专题信息如土壤、土地利用及植被覆盖数据）作为背景叠加各种专题信息如土壤、土地利用及植被覆盖数据等，以进行显示与分析；等，以进行显示与分析；1010）与）与GISGIS联合进行空间分析；联合进行空间分析；1111）虚拟现实）虚拟现实(Virtual Reality)(Virtual Reality)；此外，从此外，从DEMDEM还能派生以下主要产品：平面等高线图、立体等高线还能派生以下主要产品：平面等高线图、立体等高线图、等坡度图、晕渲图、通视图、纵横断面图、三维立体透视图、三图、等坡度图、晕渲图、通视图、纵横断面图、三维立体透视图、三维立体彩色图等。维立体彩色图等。DEM的数据源：的数据源：现有地图数字化：现有地图数字化：对已有地形图进行数字化（两对已有地形图进行数字化（两种方式）。种方式）。数字摄影测量：数字摄影测量：利用带自动记录装置的立体测图利用带自动记录装置的立体测图仪或立体坐标仪、解析测图仪及数字摄影测量系仪或立体坐标仪、解析测图仪及数字摄影测量系统，进行人工、半自动或全自动的量测。其原理统，进行人工、半自动或全自动的量测。其原理是在摄影图的基础上利用测图仪进行测量。是在摄影图的基础上利用测图仪进行测量。地面测量：地面测量：利用自动记录的测距经纬仪在野外实利用自动记录的测距经纬仪在野外实地测量。地测量。空间传感器：空间传感器：利用利用GPSGPS，结合雷达和激光测高仪采，结合雷达和激光测高仪采集数据。集数据。使用三维函数模拟复杂曲面；将一个完整曲面分解成方格网或面积上大体相等的不规则格网，每个格网中有一个点的观测值，即为格网值；适用于曲面插值来表示地下水或土壤的特性；等高线模型等高线模型 等高线通常被存储成一个等高线通常被存储成一个有序有序的的坐标点序列坐标点序列，可以认为是一条带有高程值属性的可以认为是一条带有高程值属性的简单多边形简单多边形或或多边形弧段。由于等高线模型只是表达了区域的多边形弧段。由于等高线模型只是表达了区域的部分高程值部分高程值，往往需要一种，往往需要一种插值方法插值方法来计算落在来计算落在等高线以外等高线以外的的其他点其他点的高程，又因为这些点是落的高程，又因为这些点是落在两条等高线包围的区域内，所以，通常只要使在两条等高线包围的区域内，所以，通常只要使用用外包的外包的两条等高线的高程进行两条等高线的高程进行插值插值。u 数字化现有等高线地图产生的数字化现有等高线地图产生的DEMDEM比比直接利用直接利用航空摄影测量方法产生的航空摄影测量方法产生的DEMDEM质量要质量要差差；u 数字化的等高线对于计算坡度或生成着色地数字化的等高线对于计算坡度或生成着色地形图不十分适用。形图不十分适用。等高线模型的缺点：等高线模型的缺点：规则格网规则格网DEM模型模型（GRID）规则格网法是把规则格网法是把DEMDEM表示成表示成高程矩阵高程矩阵，此时，此时，DEMDEM来源于直接规则矩形格网采样点或由不规则离来源于直接规则矩形格网采样点或由不规则离散数据点内插产生。散数据点内插产生。结构简单结构简单，计算机对矩阵的，计算机对矩阵的处理处理比较比较方便方便，高程矩阵已成为高程矩阵已成为DEMDEM最通用最通用的形式。高程矩阵特别的形式。高程矩阵特别有利于有利于各种应用。各种应用。Grid模型有下列缺点模型有下列缺点：1 1、地形简单的地区存在、地形简单的地区存在大量冗余数据大量冗余数据；2 2、如不改变如不改变格网大小格网大小,则则无法适用于无法适用于起起伏程度不同的地区；伏程度不同的地区；3 3、对于某些特殊计算如、对于某些特殊计算如视线视线计算时，格计算时，格网的网的轴线方向被夸大轴线方向被夸大；4 4、由于栅格过于粗略，、由于栅格过于粗略，不能精确不能精确表示地表示地形的关键特征形的关键特征,如山峰、洼坑、山脊等；如山峰、洼坑、山脊等；不规则三角网模型不规则三角网模型（TIN）TIN（Triangulated Irregular Network)表示表示法利用所有采样点取得的离散数据，按照法利用所有采样点取得的离散数据，按照优化组优化组合合的原则，把这些离散点的原则，把这些离散点(各三角形的顶点各三角形的顶点)连接连接成相互连续的成相互连续的三角面三角面(在连接时，尽可能地确保在连接时，尽可能地确保每个三角形都是每个三角形都是锐角三角形锐角三角形或是三边的或是三边的长度近似长度近似相等相等Delaunay)。因为因为TIN可根据地形的可根据地形的复杂程度复杂程度来确定采样来确定采样点的点的密度密度和和位置位置，能，能充分表示充分表示地形特征点和线，地形特征点和线，从而从而减少了减少了地形较平坦地区的地形较平坦地区的数据冗余数据冗余。TIN模型的存储方式模型的存储方式:NoXYZ190.010.043.5250.710.067.3367.223.962.6:1010.090.081.0表示方法：表示方法：将区域划分为相邻的三角面网络，区域将区域划分为相邻的三角面网络，区域中任意点都将落在三角面顶点、线或三角形内。落中任意点都将落在三角面顶点、线或三角形内。落在顶点上在顶点上其高程与顶点相同；落其高程与顶点相同；落在线上在线上则由两个顶则由两个顶点线性插值得到；落点线性插值得到；落在三角形内在三角形内则由三个顶点插值则由三个顶点插值得到。得到。生成方法：生成方法：由不规则点、矩形格网或等高线转换而由不规则点、矩形格网或等高线转换而得到。得到。TINTIN允许在地形复杂地区收集较多的信息，而在简允许在地形复杂地区收集较多的信息，而在简单的地区收集少量信息，避免数据冗余。单的地区收集少量信息，避免数据冗余。对于某些类型的运算比建立在数字等高线基础上的对于某些类型的运算比建立在数字等高线基础上的模型更有效，如坡度、坡向等的计算。模型更有效，如坡度、坡向等的计算。TIN模型的特点：模型的特点：均可以表达地球表面的高程变化，但后均可以表达地球表面的高程变化，但后两者比前者更为直观、形象；两者比前者更为直观、形象；GISGIS存储中，前者存储容量最小，便于存储中，前者存储容量最小，便于管理；后两者的存储较为复杂且容量大；管理；后两者的存储较为复杂且容量大；在进行地形分析时，后两者比前者更容在进行地形分析时，后两者比前者更容易实现。易实现。三种三种DEMDEM数据模型的比较数据模型的比较DEMDEM的主要应用的主要应用1.1.在地图制图与地学分析中的应用在地图制图与地学分析中的应用三维立体制图三维立体制图三维景观三维景观数码城市和虚拟现实（数码城市和虚拟现实（VR）City ModelDOMDEMDLGAttribute RDBDEM+DOM+DLG数码深圳数码深圳数字公路数字公路3D 建筑建筑绘制地面晕渲图绘制地面晕渲图视线分析：视线分析：判断点与点之间的通视性，从而可以确定一个点目标的通视区域和某区域内通视点的位置。可以划分出可视区域和不可视区域（教材P76示意图）。剖面分析剖面分析1 1）意义：）意义：常常可以常常可以以线代面以线代面，研究区域的地貌形态、轮廓形状、地势变化、地，研究区域的地貌形态、轮廓形状、地势变化、地质构造、斜坡特征、地表切割强度等。质构造、斜坡特征、地表切割强度等。如果在地形剖面上如果在地形剖面上叠加叠加其它地理变量，例如坡度、土壤、植被、土地其它地理变量，例如坡度、土壤、植被、土地利用现状等，可以提供土地利用规划、工程选线和选址等的决策依据。利用现状等，可以提供土地利用规划、工程选线和选址等的决策依据。2 2）绘制）绘制 可在格网可在格网DEMDEM或三角网或三角网DEMDEM上进行。上进行。已知两点的坐标已知两点的坐标A(xA(x1 1，y y1 1)，B(xB(x2 2，y y2 2)，则可求出两点连线与格网或三，则可求出两点连线与格网或三角网的交点，并内插交点上的高程，角网的交点，并内插交点上的高程，以及各交点之间的距离。然后按选以及各交点之间的距离。然后按选定的垂直比例尺和水平比例尺，按定的垂直比例尺和水平比例尺，按距离和高程绘出剖面图。距离和高程绘出剖面图。剖面图不一定必须沿直线绘制，剖面图不一定必须沿直线绘制，也可沿一条曲线绘制。也可沿一条曲线绘制。地形分析地形分析等高线的绘制等高线的绘制在格网在格网DEMDEM上上自动绘制自动绘制等高线主要包括两个步骤：等高线主要包括两个步骤：1 1、等高线追踪，利用、等高线追踪，利用DEMDEM矩形格网点的高程内插出矩形格网点的高程内插出格网边上格网边上的等高线点，并将这些等高线点的等高线点，并将这些等高线点排序排序；2 2、等高线光滑，进一步、等高线光滑，进一步加密加密等高线点并绘制光滑曲线。等高线点并绘制光滑曲线。DEM的土石方计算的土石方计算立体计算线路挖土、石方量立体计算线路挖土、石方量2.2.非地形特性的应用非地形特性的应用 可以将可以将DEMDEM中的各种技术移植到非高程中的各种技术移植到非高程数据的地学建模与分析上。即凡是在二数据的地学建模与分析上。即凡是在二维地理空间上连续分布并逐步变化的各维地理空间上连续分布并逐步变化的各种非高程数据属性如重力、气压、降水、种非高程数据属性如重力、气压、降水、工农业产值等，都可依据工农业产值等，都可依据DEMDEM的建立方的建立方法建立各自的数字模型。法建立各自的数字模型。3.3.产业化和社会化服务产业化和社会化服务 随着随着GISGIS、数字地球等空间信息技术的、数字地球等空间信息技术的发展，数字高程模型成为空间信息系统发展，数字高程模型成为空间信息系统的重要组成部分，是各种地学分析应用的重要组成部分，是各种地学分析应用的最为重要的基础数据。随着各行各业的最为重要的基础数据。随着各行各业对对DEMDEM数据的需求日益增加，高精度、数据的需求日益增加，高精度、高分辨率的高分辨率的DEMDEM产品逐步产业化、商业产品逐步产业化、商业化。化。DEM的生成的生成方法：方法：1 1、人工格网法、人工格网法2 2、三角网法、三角网法3 3、立体像对法、立体像对法4 4、曲面拟合法、曲面拟合法5 5、等值线插值法、等值线插值法人工格网法人工格网法在地形图上蒙上格网，在地形图上蒙上格网，逐格逐格读取读取中心点中心点或或交点交点的高程值。的高程值。三角网法三角网法 对有限个离散点，对有限个离散点，每三个每三个邻近点邻近点联结成联结成三角形，三角形，每个三角形代表一个每个三角形代表一个局部平面局部平面，再根据每个平面方，再根据每个平面方程，可计算程，可计算各格网点各格网点高程，生成高程，生成DEMDEM。应尽可能保证每个三角形是应尽可能保证每个三角形是锐角三角形或三边的长度近锐角三角形或三边的长度近似相等，避免出现过大的钝似相等，避免出现过大的钝角和过小的锐角。角和过小的锐角。立体像对法立体像对法曲面拟合法曲面拟合法 根据根据有限个有限个离散点的高程，采用离散点的高程，采用多项式多项式或或样条函数样条函数求得求得拟合公式拟合公式，再逐个计算各点的高程，得到拟合的，再逐个计算各点的高程，得到拟合的DEMDEM。可反映。可反映总的地势总的地势，但，但局部误差较大局部误差较大。可分为：。可分为：整体拟合：整体拟合：根据研究区域内根据研究区域内所有采样点所有采样点的观测值建立的观测值建立趋势面趋势面模型模型。特点是不能反映内插区域内的局部特征。特点是不能反映内插区域内的局部特征。局部拟合：局部拟合：利用利用邻近的邻近的数据点数据点估计估计未知点的值，能未知点的值，能反映局部反映局部特征特征。等高线插值法等高线插值法如何由一组离散的点数据（包括坐标和如何由一组离散的点数据（包括坐标和其高程值）生成三种形式的其高程值）生成三种形式的DEMDEM？点 在在ArcGISArcGIS中生成中生成DEMDEM等高线TIN格网DEM如何由一组等高线数据（包括如何由一组等高线数据（包括IDID和其高和其高程值）生成另外两种程值）生成另外两种DEMDEM？等高线TIN格网DEM如何由一幅纸质地形图生成三种形式的如何由一幅纸质地形图生成三种形式的DEMDEM？扫描数字化坐标配准手工数字化等高线TIN格网DEM小结小结 了解数字高程模型的发展历程；了解数字高程模型的发展历程；掌握掌握DEMDEM数据的采集方法；数据的采集方法；掌握掌握DEM的主要表达形式；的主要表达形式；了解了解DEMDEM的应用，并掌握其主要应用；的应用，并掌握其主要应用；掌握在掌握在ArcGIS中生成中生成DEM的方法的方法。思考题思考题 什么是什么是DEMDEM？它与？它与DTMDTM有什么区别和有什么区别和 联系？联系？获取获取DEMDEM数据的方法和手段有哪些？数据的方法和手段有哪些？DEM DEM的主要表达形式有哪几种？的主要表达形式有哪几种？DEMDEM在地学和地图制图中有哪些应用？在地学和地图制图中有哪些应用？如何由一幅纸质地形图生成它的三如何由一幅纸质地形图生成它的三种形式的种形式的DEMDEM？